一种用于电缆和钢轨的放热焊接工艺的制作方法

1.本发明涉及放热焊接领域，具体涉及一种用于电缆和钢轨的放热焊接工艺。


背景技术：

2.钢轨的接续线、跳线、均流线、回流线为纯铜电缆，纯铜电缆与钢轨进行连接，按照不同使用位置，为铁路机车提供信号、工作电流的作用。按照铁路相关的技术规范，纯铜电缆和钢轨的连接点必须具备良好的机械性能和导电性能，且对钢轨母材的金相组织应无不良影响。
3.现有技术中，为实现电缆与钢轨的连接，通常在钢轨上开孔，采用螺栓胀钉或钎焊的机械连接为主。螺栓胀钉在钢轨长期振动的情况下，易出现接头松动的问题，而且在室外环境中，螺栓与钢轨之间易腐蚀，接触电阻值变大、电器性能降低，对机车形成信号易误判，影响行程安全；钎焊连接在振动的影响下同样会造成接触电阻增大，且施工工艺复杂、效率低，易出现焊料外溢、焊点凹陷、焊点松动等情况。
4.放热焊接是一种广泛用于电气接地领域的焊接技术，配合放热焊接模具在碳素结构钢、铜等接地导体之间接头的连接，仅需要对放热焊接模具、被焊线材使用瓦斯罐火焰去除表面湿气，即可进行放热焊接操作。放热焊接不属于机械结构连接、无接触电阻，接头的电阻值稳定，对系统的符合性好。但是，钢轨通常采用u71mn的珠光体钢质材料，而采用接地领域传统的放热焊接工艺进行焊接，电缆焊接接头与钢轨连接处的金相组织容易形成马氏体、贝氏体，因此电缆与钢轨很难熔接，即使勉强熔接上，电缆与钢轨的熔合区熔深也低于1mm，连接强度极低。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种用于电缆和钢轨的放热焊接工艺，其通过控制电缆和钢轨的焊接点、焊接区域、加热区域在放热焊接过程中的温度差、温度梯度，使得电缆与钢轨母材的连接处的金相组织为珠光体，进而显著地提高了电缆和钢轨的连接强度。
6.本发明通过下述技术方案实现：
7.一种用于电缆和钢轨的放热焊接工艺，包括以下步骤：
8.加热钢轨至所述钢轨上的加热区域、焊接区域的温度大于第一温度时，保温所述加热区域，继续加热所述焊接区域至第二温度，且钢轨上任一点的温度不高于800℃；
9.于加热后的钢轨上固定放热焊接模具，在电缆的待连接端部上套设套管并放入所述放热焊接模具中进行放热焊接，放热焊接后冷却；
10.在冷却过程中，采用保温材料覆盖、包裹所述钢轨、放热焊接模具；
11.其中，沿所述钢轨的延伸方向，所述焊接区域中的任一点与焊接点的水平距离不大于第一距离，所述加热区域中的任一点与焊接点的水平距离大于第一距离且小于等于第二距离。
12.本技术方案中，在放热焊接之前先对钢轨进行加热。钢轨上待加热的区域包括加
热区域和焊接区域。其中，焊接区域是沿着钢轨延伸方向，位于电缆和钢轨的待连接点，也即焊接点两侧的一片区域，焊接区域内的任一点与焊接点的水平距离小于等于第一距离；加热区域是沿钢轨延伸方向，位于焊接区域两侧的区域，且加热区域内的任一点与焊接点的水平距离大于第一距离但不大于第二距离。此处的水平距离是指，将焊接点所在的且垂直于水平面和钢轨延伸方向的平面投影于水平面上形成投影直线，将任一点投影于水平面上形成投影点，投影点到投影直线的最短距离即为水平距离。
13.本技术方案中，在加热过程中，首先将钢轨的加热区域和焊接区域整体升温至第一温度，之后对加热区域进行保温。保温的方式可采用现有的任一种保温方式，优选地，可采用厚度为20～100mm的石棉保温棉覆盖加热区域段钢轨。同时，继续对焊接区域进行加热，直至焊接区域的温度达到第二温度。通过对加热区域和焊接区域的升温、保温控制，一方面能够快速地对钢轨待焊接点及其附近区域进行升温，并在升温过程中避免局部加热钢轨所造成的钢轨局部过热、温度梯度大，造成钢轨易脆裂的情况，另一方面，加热区域和焊接区域的温差小、温度场连续，钢轨整体的温度变化小，有利于保持轨道连接部位的金相组织，即珠光体，避免了形成马氏体等不利的金相。此外，在钢轨加热过程中，钢轨上任一点的温度不得高于800℃，否则容易在连接处形成马氏体。
14.本技术方案中，可采用现有的任一种放热焊接模具进行电缆和钢轨的放热焊接。具体地，将放热焊接模具固定在钢轨上。将电缆的待连接在钢轨上的端部套上套管后，将端部放入放热焊接模具的接线槽、熔接腔中。之后，开启模盖，将焊剂放入熔料腔中内，点燃焊剂后进行放热焊接操作。
15.本技术方案中，为避免电缆的若干根导线在焊接过程中松散、容易在焊接过程中因热损而折断，难以形成有效的接头，在将电缆放入放热焊接模具之前，在电缆的连接端端部套设有套管。优选地，所述套管为铜或铜合金制成。
16.本技术方案中，放热焊接后冷却钢轨和放热焊接模具，并且，在冷却过程中，需采用保温材料覆盖、包裹钢轨和放热焊接模具，以避免钢轨、放热焊接模具过快的温降而形成马氏体、贝氏体。优选地，采用厚度为20～100mm的石棉保温棉覆盖包裹放热焊接模具，以及钢轨的加热区域和焊接区域。待钢轨的焊接区域的最高温度冷却至200℃以下时拆除保温棉和放热焊接模具，拆除后为成品连接接头。
17.本放热焊接工艺通过对钢轨加热区域、焊接区域的温度控制，不仅能够避免钢轨过热、温度梯度大造成的钢轨脆裂，能够更快且保持合理温度梯度地将钢轨加热到指定的温度，而且加热区域和焊接区域的温差小、温度场连续，有利于在电缆和钢轨的连接处保持金相组织为珠光体，避免形成马氏等不利的金相，从而显著地提高了电缆和钢轨的连接强度，相较于传统的采用螺栓胀钉或钎焊的机械连接方式，从根源上解决了长期振动情况下接头易松动、腐蚀，接触电阻变大等问题。另外，在降温过程中，对钢轨、放热模具进行包裹、覆盖也可减少避免过快的温降而导致马氏体、贝氏体形成，进一步提高接头连接强度。不仅如此，通过设置铜套管可避免电缆的导线在放热焊接过程中散乱，有利于形成有效的接头。
18.进一步地，所述第一距离为15～25cm，所述第二距离为80～120cm。考虑到能耗的损失和温度梯度的变化，第二距离优选为第一距离的4.8～5.5倍。优选地，所述第一距离为15～20cm，第二距离为90～105cm，进一步优选地，所述第一距离为20cm，第二距离为100cm，也即焊接点位置左右共40cm为焊接区域，焊接点位置左右共200cm且排除了焊接区域的区
域为加热区域。
19.进一步地，所述第一温度为380～420℃。优选地，所述第一温度为395～410℃，进一步优选地，所述第一温度为398～405℃。
20.进一步地，所述第二温度为600～800℃。优选地，所述第二温度为750～800℃，进一步优选地，所述第二温度为790～800℃。
21.作为本发明中温度控制的优选实施方式，所述加热区域、焊接区域升温至所述第一温度的升温速度为90～110℃/min，所述焊接区域升温至第二温度的升温速度为15～25℃/min。温升过快容易造成局部温度过高、温度梯度过大，温升过慢容易造成能量的损耗。因此，在加热区域、焊接区域升温至第一温度的过程中，为了使两个区域的整体温度快速达到指定温度，整体的升温速度为90～110℃/min，优选地，升温控制在100℃/min；在加热区域保温、焊接区域升温的过程中，为了避免焊接区域的温度较加热区域升温过快而形成两个区域较大的温度差，第二温度的升温速度为15～25℃/min，优选地，升温控制在20℃/min。
22.进一步地，所述套管的侧面包括贴合面，所述贴合面用于贴合至所述钢轨的表面。套管的侧壁包括一段贴合面，所述贴合面用于贴合至所述钢轨的表面，以避免放热焊接过程中，熔融的金属从电缆和钢轨的接触面外溢，更有利于形成有效接头。同时，在使用一体成型放热焊接模具时，因放热焊接模具孔为圆弧形，将包裹套管70％的表面积，在焊接后不易从放热焊接模具中脱模，将铜套管的侧壁设置一段贴合面后，由于贴合面需要与钢轨表面贴合，因此多为平面或接近平面，减小了放热焊接模具溶解孔对套管的包裹，更有利于焊接后脱模。
23.作为本发明中套管的一种优选结构，所述套管的端面上设置有斜面，所述斜面的角度为30～60
°
。在利用放热焊接模具进行焊接时，由于熔料腔中的金属溶液通常自上而下流入至熔接腔、接线槽中，因此，套设在电缆上的套管的上侧通常率先融化，造成焊接接头的顶部和底部的熔合深度的一致性较差，顶部区域在钢轨的熔深通常为底部区域在钢轨的熔深的5倍左右，造成连接强度低。为解决该问题，在套管的端面加工出一个30～60
°
的斜面，在放热焊接过程中，套管的短边在上，对准熔料腔的出料口，套管的长边在下，以使得高温溶液从上向下流动时，更多的高温熔液沿斜面向下方流动，使整体焊点的熔合区深度更加均衡，从而提高连接强度。优选地，斜面的角度为40～50
°
，进一步优选地，斜面的角度为40
°
。
24.作为本发明中套管的另一种优选结构，所述套管包括第一管、以及传动连接于所述第一管中的第二管，所述第二管包括外管和位于所述外管内的内管，所述内管内部用于容纳电缆的若干根导线；所述外管和内管之间设置有连接在外管和内管上连接柱、设置在外管上的第一凸块、以及设置在内管上的第二凸块，所述第一凸块转动并经过所述第二凸块时能够推动所述第二凸块朝向内管的中心移动。
25.本技术方案中，套管包括第一管和第二管，第一管上开设有容纳孔以用于放入第二管。第一管与第二管传动连接，通过转动第一管可带动第二管同步旋转。在一个或多个实施例中，第一管和第二管通过传动齿的啮合传动连接。
26.第二管包括外管和内管，内管用于装入组成电缆的若干根导线的端部，防止放热焊接过程中电缆的导线松散。内管的外部套设有外管，且内、外管之间连接有连接柱，以使
得内管能够随外管同步旋转。
27.外管上还设置有第一凸块，内管上设置有第二凸块。在连接柱未断裂时，内、外管同步移动因此，第一凸块与第二凸块相对静止。当连接柱折断后，外管能够相对于内管转动，在转动过程中，第一凸块转动经过第二凸块，并推动所述第二凸块朝向内管中心移动。优选地，第一凸块和第二凸块为半球体，且第一凸块和第二凸块的半径之和大于内、外管之间间隙的宽度。
28.在套设套管时，首先将电缆的导线的端部全部塞入内管中，之后转动第一管，在第一管的驱动下外管同步旋转并通过连接柱驱动内管同步转动，内管进而驱动内部的导线转动，在转动过程中导线之间的间隙逐渐缩小，电缆端部更加紧致，与此同时，导线对内管施加反作用力，使内管的转动受阻，在此过程中第一凸块和第二凸块不接触；当继续对第一管施加转动力，但内管难以进一步旋转时，内管和外管之间的连接柱受力断裂，连接柱断裂后，施加再外管上的力使得外管迅速相对于内管转动，第一凸块冲击第二凸块，由于外管受第一管支撑，难以产生形变，因此再第一凸块的冲击下，第二凸块向内管中心移动，带动与第二凸块连接的内管上局部区域压向导线，使得内管的内壁起到稳定紧致后的导线的作用，避免导线在外力卸除后再次松散。
29.本技术方案中对套管的结构进行优化，允许在安装套管的同时能够快速地拧紧电缆的导线端部，避免在放热焊接过程中出现单根导线因热损而折断，同时，拧紧后的导线之间的缝隙大幅减小，减少经导线缝隙穿过的金属溶液，进一步提高连接强度；此外，连接柱的设置可以防止导线在凭经验旋转时，由于旋得过紧而造成导线磨损、损坏，而凸块又能够在连接柱断裂后推动内管迅速挤压导线，有效地提高对旋紧的导线的固定能力。
30.进一步地，所述第一管上开设有用于容纳所述第二管的容纳孔，所述容纳孔的内壁上设置有第一齿，所述外管上设置有与所述第一齿啮合的第二齿。优选地，所述第一齿、第二齿为单向啮合的传动齿，以使得第一管仅向一个方向，例如顺时针转动时方能驱动所述第二管，而反方向，例如逆时针转动时，第二管不受第一管影响。
31.进一步地，所述内管的内壁上设置有若干防滑齿，所述防滑齿沿所述内管内壁的周向均匀分布。沿内管内壁均匀分布的若干防滑齿能够在旋紧导线的过程中插入到边缘的导线间的间隙中，以使得内壁可以更好地驱动电缆整体转动。更重要的是，在第二凸块受第一凸块压力压向内管中心时，均匀分布的防滑齿不仅能够进一步嵌入至电缆外壁导线的间隙中，而且内管也更容易局部凹陷，例如，防滑齿更倾向于向相邻的防滑齿之间的、厚度更薄的地方凹陷。
32.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
33.1、本发明通过对钢轨加热区域、焊接区域的温度控制，不仅能够避免钢轨过热、温度梯度大造成的钢轨脆裂，能够更快且保持合理温度梯度地将钢轨加热到指定的温度，而且加热区域和焊接区域的温差小、温度场连续，有利于在电缆和钢轨的连接处保持金相组织为珠光体，避免形成马氏等不利的金相，从而显著地提高了电缆和钢轨的连接强度，相较于传统的采用螺栓胀钉或钎焊的机械连接方式，从根源上解决了长期振动情况下接头易松动、腐蚀，接触电阻变大等问题；
34.2、本发明在降温过程中，对钢轨、放热模具进行包裹、覆盖也可减少避免过快的温降而导致马氏体、贝氏体形成，进一步提高接头连接强度；
35.3、本发明在加热区域保温、焊接区域升温的过程中，通过调整升至第一温度、第二温度的升温速度，能够避免温升过快造成局部温度过高、温度梯度过大，温升过慢容易造成能量的损耗的问题；
36.4、本发明通过设置铜套管可避免电缆的导线在放热焊接过程中散乱，有利于形成有效的接头，通过将套管侧壁设置一段贴合面，可以有效地减少放热焊接过程中熔融的金属从电缆和钢轨的接触面外溢，通过在套管的端面设置斜面，可以使得高温溶液从上向下流动时，更多的高温熔液沿斜面向下方流动，使整体焊点的熔合区深度更加均衡，从而提高连接强度；
37.5、本发明对套管的结构进行优化，允许在安装套管的同时能够快速地拧紧电缆的导线端部，避免在放热焊接过程中出现单根导线因热损而折断，同时，拧紧后的导线之间的缝隙大幅减小，减少经导线缝隙穿过的金属溶液，进一步提高连接强度；此外，连接柱的设置可以防止导线在凭经验旋转时，由于旋得过紧而造成导线磨损、损坏，而凸块又能够在连接柱断裂后推动内管迅速挤压导线，有效地提高对旋紧的导线的固定能力。
附图说明
38.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
39.图1为本发明具体实施例中放热焊接工艺的流程框图；
40.图2为本发明具体实施例中钢轨和焊接点、焊接区域、加热区域的示意图；
41.图3为本发明具体实施例中套设有套管的电缆的示意图；
42.图4为本发明具体实施例中套管的贴合面贴合至钢轨上的示意图；
43.图5为本发明具体实施例中套管的结构示意图；
44.图6为本发明具体实施例中套管的第二管的内管的结构示意图；
45.图7为本发明具体实施例中焊接处钢轨的金相组织。
46.附图中标记及对应的零部件名称：
47.1-电缆，11-导线，2-套管，21-第一管，211-第一齿，22-外管，222-第二齿，23-内管，231-防滑齿，24-连接柱，25-第一凸块，26-第二凸块，27-贴合面，28-斜面；
48.30-钢轨，31-焊接点，32-焊接区域，33-加热区域。
具体实施方式
49.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
50.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
51.实施例1：
52.如图1至图3所示的一种用于电缆和钢轨的放热焊接工艺，包括以下步骤：
53.加热钢轨30至所述钢轨30上的加热区域33、焊接区域32的温度大于第一温度时，保温所述加热区域33，继续加热所述焊接区域32至第二温度，且钢轨30上任一点的温度不高于800℃；
54.于加热后的钢轨30上固定放热焊接模具，在电缆1的待连接端部上套设套管2并放入所述放热焊接模具中进行放热焊接，放热焊接后冷却；
55.在冷却过程中，采用保温材料覆盖、包裹所述钢轨33、放热焊接模具；
56.其中，沿所述钢轨30的延伸方向，所述焊接区域32中的任一点与焊接点的水平距离不大于第一距离，所述加热区域33中的任一点与焊接点的水平距离大于第一距离且小于等于第二距离。
57.如图2所示，焊接区域32为电缆与钢轨30的焊接点31两侧的一片区域，该区域的边界与焊接点31的最短距离为第一距离，类似地，加热区域33为焊接区域32左右两侧的区域，加热区域33靠近焊接点31的边界与焊接点31的最短距离为第一距离，加热区域33远离焊接点31的边界与焊接点31的最短距离为第二距离。
58.在一个或多个实施例中，在加热钢轨前，打磨清理钢轨表面的铁锈和渗碳层，钢轨渗碳层的厚度约0.1～0.5mm。通过打磨掉钢轨表面的渗碳层，而不仅仅是铁锈，有利于进一步提高电缆和钢轨的连接点的连接强度。
59.在一个或多个实施例中，在将放热焊接模具固定在钢轨上之前，将放热焊接模具加热至150～200℃。在部分优选的实施例中，在焊剂引燃时，立即对放热焊接模具的熔接腔位置、焊接点所在的钢轨平面的对侧的腰部区域加热，火焰外焰温度控制在800℃内，使焊接接头的金属结晶致密，结晶后使钢轨缓慢降温，避免马氏体、贝氏体的产生。
60.在一个或多个实施例中，在放热焊接前，对被焊电缆的端部套管进行加热，加热的温度为200～300℃。
61.本实施例中，通过对钢轨加热区域、焊接区域的温度控制，不仅能够避免钢轨过热、温度梯度大造成的钢轨脆裂，能够更快且保持合理温度梯度地将钢轨加热到指定的温度，而且加热区域和焊接区域的温差小、温度场连续，有利于在电缆和钢轨的连接处保持金相组织为珠光体，避免形成马氏等不利的金相，从而显著地提高了电缆和钢轨的连接强度，相较于传统的采用螺栓胀钉或钎焊的机械连接方式，从根源上解决了长期振动情况下接头易松动、腐蚀，接触电阻变大等问题。
62.在部分实施例中，所述第一距离为15～25cm，所述第二距离为80～120cm。
63.在部分实施例中，所述第一温度为380～420℃。
64.在部分实施例中，所述第二温度为600～800℃。
65.在部分优选的实施例中，所述加热区域33、焊接区域32升温至所述第一温度的升温速度为90～110℃/min，所述焊接区域32升温至第二温度的升温速度为15～25℃/min。
66.根据国家金属制品质量监督检查中心依据《gb/t 13298-2015金属显微组织校验方法》出具的检测报告(报告编号：jcbg(01)220504018)，检测的焊接处钢轨的金相组织如图7所示，检测结果为珠光体且无马氏体，符合技术要求。
67.实施例2：
68.在实施例1的基础上，如图3和图4所示，所述套管2的侧面包括贴合面27，所述贴合面27用于贴合至所述钢轨30的表面。贴合面27的设计可以避免放热焊接过程中，熔融的金
属从电缆和钢轨的接触面外溢，更有利于形成有效接头。另外，由于贴合面需要与钢轨表面贴合，因此多为平面或接近平面，减小了放热焊接模具溶解孔对套管的包裹，更有利于焊接后脱模。在一个或多个实施例中，所述套管的横截面为半圆形或者d字形，半圆形或d字形的直边所在的平面用作贴合面。
69.在部分优选的实施例中，所述套管2的端面上设置有斜面28，所述斜面28的角度为30～60
°
。
70.放热焊接过程中，套管的短边在上，对准熔料腔的出料口，套管的长边在下，以使得高温溶液从上向下流动时，更多的高温熔液沿斜面向下方流动，使整体焊点的熔合区深度更加均衡，从而提高连接强度。优选地，斜面的角度为40～50
°
，进一步优选地，斜面的角度为40
°
。
71.实施例3：
72.在上述实施例的基础上，如图5和图6所示，所述套管2包括第一管21、以及传动连接于所述第一管21中的第二管，所述第二管包括外管22和位于所述外管22内的内管23，所述内管23内部用于容纳电缆1的若干根导线11；所述外管22和内管23之间设置有连接在外管22和内管23上连接柱24、设置在外管22上的第一凸块25、以及设置在内管23上的第二凸块26，所述第一凸块25转动并经过所述第二凸块26时能够推动所述第二凸块26朝向内管23的中心移动。
73.在套设套管时，首先将电缆的导线的端部全部塞入内管中，之后转动第一管，在第一管的驱动下外管同步旋转并通过连接柱驱动内管同步转动，内管进而驱动内部的导线转动，在转动过程中导线之间的间隙逐渐缩小，电缆端部更加紧致，与此同时，导线对内管施加反作用力，使内管的转动受阻，在此过程中第一凸块和第二凸块不接触；当继续对第一管施加转动力，但内管难以进一步旋转时，内管和外管之间的连接柱受力断裂，连接柱断裂后，施加再外管上的力使得外管迅速相对于内管转动，第一凸块冲击第二凸块，由于外管受第一管支撑，难以产生形变，因此再第一凸块的冲击下，第二凸块向内管中心移动，带动与第二凸块连接的内管上局部区域压向导线，使得内管的内壁起到稳定紧致后的导线的作用，避免导线在外力卸除后再次松散。
74.在一个或多个实施例中，可以通过调节连接柱的强度、数量、安装位置来控制导线的紧致程度。
75.在部分实施例中，所述第一管21上开设有用于容纳所述第二管的容纳孔，所述容纳孔的内壁上设置有第一齿211，所述外管22上设置有与所述第一齿211啮合的第二齿222。
76.优选地，所述第一齿、第二齿为单向啮合的传动齿，以使得第一管仅向一个方向，例如顺时针转动时方能驱动所述第二管，而反方向，例如逆时针转动时，第二管不受第一管影响。
77.在部分实施例中，所述内管23的内壁上设置有若干防滑齿231，所述防滑齿231沿所述内管23内壁的周向均匀分布。
78.在第二凸块受第一凸块压力压向内管中心时，均匀分布的防滑齿不仅能够进一步嵌入至电缆外壁导线的间隙中，而且内管也更容易局部凹陷，例如，防滑齿更倾向于向相邻的防滑齿之间的、厚度更薄的地方凹陷。
79.本文中所使用的“第一”、“第二”等(例如第一管、第二管，第一齿、第二齿等)只是
为了描述清楚起见而对相应部件进行区别，不旨在限制任何次序或者强调重要性等。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以使经由其他部件间接相连。
80.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。